专利名称：用于具有电流模式控制和故障容差检测的ac点火系统的多路复用驱动电路的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及用于使用火花塞的内燃机的点火系统，更具体地说，涉及用于使用火花塞的内燃机的点火系统，以及用于控制火花塞操作和检查系统故障的控制系统。
背景技术：
通常，内燃机包括火花塞以及产生火花的点火电路，从而在发动机气缸内点燃空气-燃料混合物。有些发动机采用附连到旋转飞轮的永磁体在充电线圈上产生电压。在典型的电容性放电系统中，来自低电压电池的电能被供给电力供应装置，该电力供应装置把该电能升压为电容器上的较高电压，该电容器为在火花塞的火花间隙上产生电火花提供所需的电压。所述电容器将其能量传送到点火线圈的初级绕组以及点火线圈的磁芯。从点火线圈次级绕组提取能量，直到电容器和磁芯没有足够的能量为止。在电感性系统中，从线圈初级侧的低压电池汲取能量。当线圈初级绕组中的电流中断时，产生的反激(flyback)引发次级线圈的击穿，通过次级绕组从点火线圈磁芯中提取能量。无论是在电容性放电还是电感性放电点火系统中，能量都是在时刻T1通过点火线圈初级绕组的电流传送给点火线圈的磁芯。在随后的时刻T2，从储存在磁芯中的能量产生点火线圈次级电压和电流。改变开路电压(OCV)，电流幅值(CA)和火花持续时间(SD)这些次级线圈特性的能力都与线圈磁芯中储存的能量的变化有关。但是，一旦能量已经存在于磁芯中，次级线圈的特性很大程度上就已经确定为次级负载允许的任何状态，在下次点火前不会变化。对于给定的电感性或电容性放电线圈的设计，0CV、CA和SD都与存储的能量直接成正比。随着储存在磁芯中的能量增大，这三个值也增大。这些系统中最大的约束是开路电压。该参数应当总是足够大以可靠地引发火花。因此，需要给线圈施加的能量具有最小能量,从而可靠地产生火花。对于典型的电感性和电容性放电点火系统，OCV的数量级为25-40kV。这限制了 CA和SD的可调节量，该可调节量的调节可通过施加调节能量实现。另夕卜，CA和SD必须同时增大或同时减小。在传统的电感性或电容性放电线圈设计中，这些参数不能独立地调节。为了改进点火系统的整体响应，通常需要改进线圈设计。但是，通常，对于给定的线圈设计来说，对不同的发动机工况，0CV、CA和SD之间的关系无法被优化。作为电感性放电和电容性放电点火系统的替代品，一些发动机系统采用交流(AC)点火系统。在AC点火系统中，通常通过DC-AC逆变器产生交流电流。这种系统中可能采用的逆变器有若干种类型。例如，示例性的AC点火系统包括变压器，该变压器具有中心抽头的初级线圈以及连接到火花塞的次级线圈。通过电容器向具有中心抽头的初级线圈的多个绕组之一放电，在火花塞上会引发电弧。初级线圈的两个端子都与开关或晶体管连接。开关可在接通和切断之间切换从而改变初级线圈中电流的方向，以及由此改变次级线圈中电流的方向。可以按照有利于调节CA或SD时间段的方式实现这些开关的控制。但是，AC点火系统通常采用比电容性和电感性系统更多的功率半导体，例如开关和二极管。或者，可替换地，AC点火需要点火线圈具有多于两个的绕组，例如是中心抽头线圈初级的设置。通常，随着线圈复杂性的减小，所使用的功率半导体增多，反之亦然。由于额外增多的元件和增大了的复杂性提供了更多可能发生故障的点，这使得AC点火系统成本变高，并且替在的可靠性降低。另外，许多AC点火系统不允许对次级线圈电流进行精确的实时控制，其中次级线圈电流决定了火花放电的特性。另外，许多AC点火系统不具有电路故障自诊断的功能或预测未来电路故障的功能。因此需要有一种交流点火系统，其可以采用比传统交流点火系统更少的元件以更低成本制造，并且其可以使简单的双绕组点火线圈实现点火。还需要有一种点火系统，其允许比传统电感性、电容性改电或交流点火系统实现SD和CA更高程度的精确实时控制。另夕卜，一种能发现电路故障或估测未来故障可能性的点火系统是很有用的。
本发明的实施例提供了一种交流点火系统。本发明的这些和其他和优点，以及附加的创造性特征，将通过本发明下面的详细说明变得更加明显。
发明内容
在一个方面中，本发明的一个实施例提供了一种用于AC点火系统的多路复用驱动电路，其具有一个共用支路，该共用支路包括两个串联耦接的开关，以及一个或多个专用支路，其中每个专用支路包括两个串联耦接的开关。该AC点火系统还包括用于一个或多个专用支路中的每一个的变压器(具有两个绕组的点火线圈)，每个变压器具有耦接在一个或多个专用支路中的一个以及共用支路之间的初级绕组。另外，每个变压器具有与火花塞并联耦接的次级绕组。该AC点火系统还包括脉宽调制(PWM)开关控制器，其被构造为操作共用支路和专用支路开关以控制用于火花塞的火花放电的特性。根据另一个方面，本发明的一个实施例提供了一种可编程AC点火系统，其包括DC电力总线，多个火花塞，每个火花塞都与相应的变压器的次级绕组耦接。每个变压器包括具有第一端子的初级绕组，该第一端子耦接在串联耦接的相应的一对专用开关之间。该可编程AC点火系统还具有串联耦接的一对共用开关，其中每个初级绕组的第二端子连接在共用开关之间，其中共用开关和每个专用开关都耦接到DC总线。该AC点火系统具有可编程控制器，其被构造为利用脉宽调制操作共用开关和专用开关，其中控制共用开关和专用开关包括控制用于多个火花塞的火花放电特性。另外，可编程控制器能够检测系统故障。另夕卜，可编程控制器能够基于一旦向点火系统提供能量而出现火花事件所花费的时间长度来预测火花塞故障或不能发动的情况。在结合附图考虑时，本发明的其他方面、目标和优点将通过下面的详细说明变得更加明显。
包括在本说明书中作为本说明书的一部分的附图示出了本发明的几个方面，并和说明书一起用于说明本发明的原理。图中
图I是根据本发明一个实施例，具有多路复用驱动电路的AC点火系统模块的示意图；和图2A和2B是定时图表，示出了在图I点火系统的示例性操作期间的基本电压和电流波形；图3是根据本发明一个实施例，具有多路复用驱动电路的16通道AC点火系统的框图。图4是用于可编程控制系统的电路图。图5包括多个定时图表，示出了在图4的点火系统的示例性操作期间的基本电压和电流波形。
图6示出了图4中电路的特定方面的示例性操作。图7包括多个定时图表，示出了图4中电路以图6所示的方式运行时的示例性操作期间的基本电压和电流波形。图8示出了当图4的电路出现电路故障时的一个特定方面的操作。图9包括多个定时图表，示出了图4中电路以图8所示的方式运行时的操作期间的基本电压和电流波形。图10示出了对于不同的击穿电压，流过AC点火系统的初级线圈的电流图表。尽管将要参照特定优选实施例描述本发明，但是并不意味着将本发明限制为这些实施例。相反地，在所附权利要求限定的本发明的精神和范围内，该意图将包含全部可选方案、变型和等价方式。
具体实施例方式图I示出了根据本发明一个实施例的示例性交流(AC)点火系统模块100，其具有多路复用驱动电路101。点火系统模块100可被构造为3通道的(S卩，与三个火花塞连接)，或者是两通道模块(即，与两个火花塞连接)，并包括共享的或共用的支路102，支路102具有两个串联连接的开关S2，104和S3，106。第一专用支路108具有串联连接的两个开关S4，110和S5，112。第一点火线圈或变压器116的初级绕组114的一个端子103连接在开关S2，104和S3，106之间，而初级绕组114的另一个端子105连接在开关S4，110和S5，112之间。第一变压器116的次级绕组118与第一火花塞120并联连接。由于本发明的点火线圈不需要储存像现有技术点火系统的点火线圈那么多的能量，因此本发明的点火系统可被构造为采用这样的点火线圈，该点火线圈本质上被设计成作为高压变压器运行而非能量储存装置。第二专用支路122包括串联连接的两个开关S6，124和S7，126。第二专用支路122与第一专用支路108及共用支路102并联连接。第二点火线圈或变压器130的初级绕组128的第一端子121连接在开关S2，104和S3，106之间，而初级绕组128的第二端子123连接在开关S6，124和S7，126之间。第二变压器130的次级绕组132与第二火花塞134并联连接。在本发明的另一个的三通道实施例中，第三专用支路136(以虚线示出)包括串联连接的两个开关S8，138和S9，140。第三变压器144 (以虚线示出)的初级绕组142的一个端子131连接在开关S2，104和S3，106之间，而初级绕组142的另一个端子133连接在开关S8，138和S9，140之间。第三变压器144的次级绕组146与第三火花塞148并联连接。下文将明显看出，共用支路102被称为共享的，或公用的支路，因为它可以与点火系统的用于火花塞的多于一个的变压器初级绕组连接。共用支路102和三个专用支路108，122，136都并联连接。但是，每个专用支路108，122，136都与不同的变压器初级绕组连接。每个初级绕组都与不同的火花塞连接。在一个实施例中，开关是N沟道场效应晶体管(FET)。在另一个实施例中，开关是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，在又一个实施例中，开关是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。但是，应当认为其他类型的开关也可用作本发明实施例的开关。在本发明的再一个实施例中，一个或多个开关中的每一个都具有反向并联连接的二极管。脉宽调制(PWM)开关控制器150与电流检测电阻152和中性线154连接，中性线154与共用支路102和专用支路108，122，136的公共端子连接。在本发明的一个实施例中， PWM开关控制器150作为场可编程门阵列(FPGA)。当开关是MOSFET或IGBT晶体管时，PWM开关控制器150与晶体管的栅极连接以控制开关操作。另外，PWM开关控制器150可被构造为用于高频操作，例如5-55千赫兹。开关控制器150的高频操作允许对初级线圈电流水平的精确控制。初级绕组和次级绕组之间的高耦合因数意味着初级绕组电流的精确控制导致次级绕组电流的精确、实时控制。次级绕组电流的这种控制使得实现火花放电特性(例如CA和SD)的控制。因此，PWM开关控制器150被构造为在特定火花的放电正在发生期间改变放电的这些参数。在本发明的一个实施例中，用于产生火花的电能从DC至DC升压转换器162的DC电力总线160汲取获得。升压转换器162包括操作开关SI 166的控制器164。通过控制器164对开关SI 166的控制，控制器164调节输出电压，S卩，升压转换器162的DC电力总线160的电压。电池168向电感器170提供电流。与电池168相对的电感器端子171与二极管172和开关SI 166连接。开关SI 166又与电流感测电阻173和控制器164连接。与电感器170相对的二极管端子175与电容器174、DC电力总线160连接，并与连接到控制器164的电压反馈线177连接。在本发明的一个示例性实施例中，电池168提供24伏直流电，其在DC电力总线160处升压到大约185伏。为了产生预定的平均电流Ip利用脉宽调制对开关SI 166进行调制。电流k的交流(AC)波纹分量(例如，大约±6安培)将小于直流分量(例如，大约34安培)。当升压转换器162 “接通”时，电流k是连续的、恒定的电流。当升压转换器162 “接通”时，在SI调制期间当开关SI 166断开时，电流L将提供经过二极管172流到电容器174的电流包。这些电流包将流入电容器174，并提高电容器174上的电压。电压反馈线177被控制器164用来在预定电压水平(即，185伏)处切断升压转换器162。在该点，SI调制将停止，开关SI 166将停留在打开状态。然后电流L将开始减小到零。当电压Vbwst减小到第二预定水平时，升压转换器162将再次接通，高频SI调制将再次被启动，从而产生流过电感器170的合适的直流(DC)电流Iy从而在DC总线上稳固地保持185伏。为了控制火花塞120的火花特性，开关S2 104和S5 112 —起成对工作。它们同时接通或同时切断。开关S3 106和S4 110也一起成对工作，并且与开关S2 104和S5 112的操作状态相反。第一火花塞120的火花塞间隙的初始离子化通过开关S3 106和S4 110的接通而实现。在一个示例性实施例中，变压器116，130，144的初级绕组与次级绕组匝数比为大约I : 180。当开关S3 106和S4 110接通时，DC电力总线160上的185伏电压施加在初级绕组114上。这在次级绕组118上产生高电压。当火花塞间隙上的电压(Vsp)足够高(例如从5到40千伏)时，火花塞间隙上将发生离子化。此时，火花塞间隙看起来不再是开路，而更像是一个齐纳二极管。只要变压器116的次级绕组118能够超过火花塞间隙的齐纳电压，或保持电压，那么火花间隙将保持离子化，火花放电将持续进行。在火花放电期间火花塞间隙上的保持电压将下降，Vsp降低到300伏到3000伏之间的电压。Vsp的极性由电流方向决定。 与上述的方式相同，开关S2 104和S7 126—起成对工作，它们同时接通或同时切断。开关S3 106和S6 124也一起成对工作，并且与开关S2 104和S7 126的操作状态相反。开关S2 104、S7 126,S3 106和S6 124—起操作以控制第二火花塞134的火花放电特性。类似地，开关S2 104和S9 140 (以虚线示出)一起成对工作，它们同时接通或同时切断。开关S3 106和S8 138 (以虚线示出)也一起成对工作，并且与开关S2 104和S9 140的操作状态相反。开关S2 104、S9 140,S3 106和S8 138—起操作以控制第三火花塞148的火花放电特性。在AC点火系统工作期间，当开关S2 104和S5 112接通(即闭合)时电流Ip流过初级线圈114。当Ip达到预定水平(例如30到150安培)时，开关控制器150切断S2 104和S5 112，同时接通开关S3 106和S4 110。当开关S3 106和S4 110接通时，流过初级绕组114的电流Ip改变方向，从而限定了点火系统的AC操作。开关S3 106和S4 110将被保持为接通状态，直到电流Ip达到预定值为止，该预定值的大小等于S2 104和S5 112的开关峰值电流的幅值，但是极性相反。因此，电流Ip具有高频三角波形。流入次级绕组的电流Is具有与初级绕组电流Ip相同的形状和相位，但是可根据初级绕组与次级绕组的匝数比而成比例缩放。变压器116，130，144相对于通常的点火线圈的绕组具有低电感的初级和次级绕组。如图I所示，三个变压器的初级和次级绕组的低电感允许初级绕组电流和次级绕组电流的紧密耦合。低电感还允许对初级绕组和次级绕组电流的精确控制。通过精确地控制初级绕组电流，次级绕组电流也得到精确地控制。在本发明的示例性实施例中，变压器的初级电感大约是109微亨，次级电感大约是3. 7亨，初级漏电感是大约28微亨，次级漏电感是大约0. 95亨。另外，变压器的初级耦合因数是大约0. 8630，次级耦合比是大约0. 8630，匝数比是大约184比I。流过变压器的初级和次级绕组的电流的时间变化率由漏电感或耦合因数指示。耦合因数可通过如下公式确定
l_k = Lps/Lp = Lsp/Ls，(I)
其中k是耦合因数，Lp是次级开路时的初级电感，Ls是初级开路时的次级电感，Lps是次级短路时的初级电感(在初级处的泄漏)，Lsp是初级短路时的次级电感(在次级处的泄漏)。这设定了给定电流设置的振荡频率。随着电流值的增大，频率减小。当耦接到185伏额定总线时，随着输出电流水平从300mA (rms)减小到65mA (rms)，变压器的振荡频率从大约在12kHz到大约在55kHz。关于本文所说的电感和耦合因数，“大约”的意思是加减25%，因为很多因素会影响这些值，包括绕组间电容，趋肤效应，临近效应，测量方法以及产品差
巳
在本发明的另一个示例性实施例中，变压器的初级电感为大约246微亨，次级电感为大约8. 11亨，初级漏电感是大约61微亨，次级漏电感是大约2. 04亨。另外，变压器的初级耦合因数是大约0. 8672，次级耦合比是大约0. 8651，匝数比是大约182比I。当耦接到185伏额定总线时，随着输出电流水平从300mA (rms)减小到65mA (rms)，变压器的振荡频率从大约在5kHz到大约在29kHz。图2A和2B是定时图表，示出了在图I点火系统模块100的预期操作期间的基本电压和电流波形。L波形202示出了流向升压转换器的输入电流。在这个信仿真输出中小的波纹不明显。注意到L在时间等于零时停止。当电压Vbtrast减小到小于180伏时，L开始导通，甚至在I毫秒处火花停止之后k还持续导通。电流k流动直到Vbwst回到185伏。Vboost波形204显示了升压转换器的185伏DC输出电压。在点火事件的重负荷期间有一些电压下降。但是，本方案的基本概念是电压Vbtrast为恒定值。仿真图中示出的电压下降是非理想的或实际电力供应设计选择的结果。
Cur_Cmd波形206示出了初级电流Ip指令的AC幅值。应注意到，电流Ip的峰值相应于Cur_Cmd轨迹。还应注意到，如图2A和2B所示，随着相应的、几乎即时响应的IP，Cur_Cmd几乎可被即时改变。S2，S5指令波形208示出了开关S2 104和S5 112的状态。当信号是+1(高)时，开关104，112闭合。当信号是-1(低)时，开关104，112断开。S3，S4指令波形210示出了开关S3 106和110 S4的状态。当信号是+1(高)时，开关106，110导通。当信号是-I (低)时，开关106，110断开。应注意到，S2，S5指令波形208与S3，S4指令波形210的相位不同。Ip波形212示出了点火线圈初级电流。应注意到，该电流具有三角形AC形状。该AC电流的幅值由Cur_Cmd信号确定。该AC电流的频率是Vb(rast，LP和Cur_Cmd的结果。随着Cur_Cmd幅值的增大,频率减小。在击穿期间Cur_Cmd为大约100安培。在击穿后，Cur_Cmd变化到大约50安培。在600 u sec和800 u sec时，Cur_Cmd改变，Ip相应地改变。Vsp波形214示出了火花塞电极处的电压。应注意到，该仿真中的击穿发生在大约35千伏。之后，Vsp减小到在该仿真情况下幅值大约为1000伏的保持电压。还应注意到，Vsp的极性由电流Is的方向决定。电流Is波形216是IP( S卩，三角波)按照点火线圈中匝数比的成比例缩放的反映。电流Is以及即时改变其幅值的能力是图I所示实施例的特点。应注意到，第一负峰值相当高并且跟随Cur_Cmd波形206。击穿后，Cur_Cmd减小，Is的幅值也相应地减小。在大约600 V- sec时,Cur_Cmd逐渐变高，电流Is的幅值也是如此。在大约800 u sec时,Cur_Cmd再次变化，电流Is也是如此。在大约1000 u sec时，Cur_Cmd变为零，电流Is停止跟随。这导致火花的终止。本发明中火花放电特性的可编程性允许在宽范围内选择CA和SD。例如，本发明的一个实施例允许火花放电时间编程为在0. I到4. 0毫秒的范围内，CA被编程为在50到1000毫安的范围内。因此这允许单个点火系统设计被应用到多种不同的发动机设计和构型。与针对不同发动机设计和制造整个一系列点火系统不同，本发明的实施例构思的一个点火系统设计可被编程为可与不同型号的发动机一起工作。这种可编程性可由可编程装置或控制器软件部分地或整体地实现。
本文中描述的点火系统的可编程性有利于系统中使用的火花塞的更长使用寿命。在发动机的寿命期间，更换火花塞是发动机整体保养中费钱和费时的方面。在通常的火花塞中，火花间隙随着电极损耗而增大。时间久了，这导致击穿电压和保持电压增大。其他因素，例如可随发动机负荷增大的击穿平均有效压力还可以影响缸内工况，包括发动机工作期间的火花放电特性。对于用户来说可以主动地改变影响火花放电特性的特定的发动机参数。参数的改变，例如这些参数的改变，可被开关控制器150检测到，其然后在火花放电期间向火花增加能量，如果需要的话，把火花特性保持在可接受的操作限制内。这通过初级和次级电流的紧密耦合来实现。在本发明的实施例中，通过控制初级电流而实时控制次级电流。在另一个实施例中，可编程控制是FPGA被构造为控制初级线圈中的电流及检测电路故障。图4示出了 FPGA控制电路400以及用于AC点火系统的多路复用驱动电路的单个阶段。即使只示出了单个阶段，构思的控制电路也可以控制其他的阶段。FPGA407的输出信号IREF_HI_1和IREF_HI_2分别连接到低通滤波器401和402。低通滤波器401和低通滤波器402的输出与IREF_HI_SELECT —起耦接到开关403的输入端。开关403的输出，也 被叫做CurrCmdPeak，被耦接到比较器404的正输入端。输入比较器404的负端子的是V_IFB。比较器404的输出是_正8_ 1(，其作为输入连接到FPGA407。IREF_HI_1和IREF_HI_2是脉宽调制(PWM)控制信号，其为初级点火线圈的电流设定阈值。FPGA控制电路400通过在点火事件前设定IREF_HI_SELECT，IREF_HI_1和IREF_HI_2的合适的占空比来控制初级点火线圈中的电流。低通滤波器401和402把PWM信号IREF_HI_1 和 IREF_HI_2 转换为 DC 电压指令值，而 IREF_HI_SELECT 控制开关 403。IREF_HI_SELECT允许FPGA控制电路400在两个DC电压指令值IREF_HI_1和IREF_HI_2之间即时切换。然后利用比较器404使所选择的DC电压指令值与V_IFB进行比较。V_IFB代表电阻416上测得的电压，其与流过初级点火线圈415的电流成正比。因此，每当V_IFB达到规定的DC电压指令值(滤波后的IREF_HI_1或IREF_HI_2)时，比较器404的输出_IFB_PK将指令FPGA407切换多路复用驱动电路中的开关网络，这在上文已有论述。另外，IREF_HI_SELECT可在IREF_HI_1和IREF_HI_2之间即时选择。在初始点火循环期间，FPGA407可以改变IREF_HI_1和IREF_HI_2的PWM信号以适于整个点火系统中变化的工况。例如，IREF_HI_SELECT可以利用IREF_HI_1开始点火循环，并在点火循环期间切换到IREF_HI_2。在当前工作在IREF_HI_2时，FPGA407可以改变IREF_HI_1的PWM信号的占空比以产生另一个用于多路复用驱动电路中的开关网络的控制点。图5包含的多个定时图表示出了图4的FPGA控制电路400的预期操作期间基本电压和电流波形的例子。Ip波形502示出初级线圈415中的电流。应注意到，波形的峰值是如何精确响应于V_IFB波形508的峰值的。V_IFB波形508示出了电流IP502和电阻416上的电压之间的关系。叠加在V_IFB波形508顶部的是由来自FPGA407的IREF_HI_SELECT设定的CurrCmdPeak。S2，S5指令波形504示出了由FPGA407产生的用于S2 411和S5 412的驱动信号。S3，S4指令波形506示出了由FPGA407产生的用于S3 413和S4 414的驱动信号。应当注意，两个波形怎样具有精确相反的相位，当V_IFB达到各CurrCmdPeak水平中的一个时,发生从高到低成从低到高的转变。
_IFB_PK波形示出了图4中比较器404的输出。当V_IFB波形超过CurrCmdPeak时，_IFB_PK波形降低，对FPGA407意味着已经达到期望的峰值电流阈值。此时，FPGA407切换S2，S5指令波形504和S3，S4指令波形506，从而改变开关网络的工作状态。IREF_HI_SELECT波形512示出了 FPGA407指令信号，该信号通知开关403在IREF_HI_1和IREF_HI_2之间切换，这设定了 CurrCmdPeak的新的水平。应注意到，在V_IFB波形508中叠加的CurrCmdPeak线示出了这种关系。另外，FPGA控制电路400具有诊断能力。FPGA控制电路400可以检测各种电路故障，包括初级线圈415上的短路情况；初级线圈415上的开路情况；初级点火线圈415的正或负(PRI+和PRI-)侧和地之间的短路情况。在图4中，FPGA控制电路400包括比较器405,406和408。CurrentCmdMid是
FPGA的PWM输出信号，其流经低通滤波器422，产生一个DC参考电压，该DC参考电压耦接到比较器405的正输入端用于与V_IFB进行比较，V_IFB耦接到比较器405的负输入端。CurrentCmdLo是FPGA的另一个PWM输出信号，其流经低通滤波器424，产生一个DC参考电压，该DC参考电压耦接到比较器406的正输入端用于与V_IFB进行比较，V_IFB耦接到比较器406的负输入端。CurrSDLevel是FPGA的又一个PWM输出信号，其流经低通滤波器420，产生一个DC参考电压，该DC参考电压耦接到比较器408的正输入端用于与V_HS进行比较，V_HS耦接到比较器406的负输入端。比较器405，406和408的输出分别是_IFB_MID、_IFB_L0 和 _ISD。本质上,CurrSDLeveI、CurrCmdMid、CurrCmdLo产生与系统参数进行比较的电压参考参数。具体地说，被比较的系统参数是电阻416上的电压(V_IFB)(其相应于初级线圈415中的电流)，以及电阻410上的电压(V_HS)(其相应于流过电流变压器409的初级线圈的电流)。在图4中，它们示出为从FPGA407中获得，但是电压参考点也可以从单独的DC参考电路获得。分别作为比较器408、比较器405和比较器406的输出的_ISD、_IFB_MID和_IFB_L0是通知FPGA407初级线圈415中的电流已经达到某些规定水平的信号。具体地说，_IFB_L0是输入FPGA407的触发信号，其指示初级线圈415中的电流已经达到了预定的低水平。图5的_IFB_L0波形516显示了这个功能。应注意到，当V_IFB波形508跨过产生的电压参考线的叠加的CurrCmdLo时，_IFB_L0是如何从高转变为低的。类似地，_IFB_MID是输入FPGA407的触发信号，其指示初级线圈415中的电流已经达到了预定的中等水平。图5的_IFB_MID波形514显示了这个功能。应注意到，当V_IFB波形508跨过产生的电压参考线的叠加的CurrCmdMid时，_IFB_MID是如何从高转变为低的。_ISD是当从电源Vbtrast获取过多的电流时通知FPGA407的触发信号。为了产生该信号，在比较器408中把从CurrSDLevel产生的DC参考信号与V_HS进行比较。V_HS是电阻410上的电压，如图4所示，该电压反映了流过电流变压器409的初级线圈的电流。在AC点火系统400正常工作期间，从电源汲取电流供给系统的其他部分。流过电流变压器409初级侧的电流在电流变压器409的次级侧感应出电流，进而在电阻410上产生电压。从而产生比较器408所用的V_HS。通过监测_IFB_MID、_IFB_L0和_ISD，FPGA407可以检测前面提到的故障。具体地说，初级线圈114上的短路情况可以通S_IFB_L0和_IFB_MID都比预期触发地早而检测至IJ。初级线圈114上的开路情况可以通过_IFB_L0和_IFB_MID从未被触发而检测到。初级点火线圈(图4中示出为PRI-)的负极侧和地之间的短路情况可通S_ISD变高而检测至IJ。这是因为PRI-和地之间的短路情况将使得从电源获得过多的电流从而触发_ISD。另一个可能的电路故障是PRI+(见图4)和地之间的短路情况。在本文所述的具体实施方式
中，PRI-和地之间短路的故障情况由比较器408 (见图4)检测。但是，类似的PRI+与地之间短路的故障情况无法被检测，因为开关S3 413和S4 414总是首先被接通(asserted)。由于该选择，电流将总是首先流过电流变压器流入开关S4 414，然后流过初级线圈415，然后流过开关S3 413流到电阻416，最后流入地。当FPGA407接通开关S2 411和S5 412而切断(deassert)开关S3 413和S4 414时，由于已经在点火线圈初级415中流动的电流，电流变压器409的电流将被迫立即台阶式变化，点火线圈初级415是比电流变压器409大得多的电感。电流变压器409电流的这个台阶式变化具有非常高频的成分，其会在409和410电路中激发谐振。这会导致严重的振铃效应回流到电流变压器409中，从而给出错误的电压测量值V_HS。实际上，刚刚描述的电路动力学使得_150在这个具体情况中是无用的。
该电路能够在开关S2和S5总是首先接通的情况下工作。这使得能够通过_ISD发现从PRI+到地的短路的故障情况，但是从PRI-到地的短路的故障情况将难以发现。为了在开关S3 413和S4 414首先接通时检测错误，AC点火系统的操作稍有不同，如图6所示。应注意到，开关S2 411，S3 413，S4 414和S5 412是MOSFET开关，如图所示的状态0 602。尽管示出了 MOSFET开关，但是可以使用任何对于电压为单向且对于电流为双向的开关。具体地说，可以使用IGBT与二极管的并联组合以模仿MOSFET的体二极管效应,这在本领域中是公知的。在没有任何电路故障的示例性操作期间，AC点火系统以如下方式工作。与之前的类似，第一 AC点火循环由S3 413和S4 414的导通开始，如图所示的状态I 604。达到峰值电流后，S3 413和S4 414被关断，开始第二开关循环。但是，与导通开关S2 411和S5 412不同的是，所有开关S2 411，S3 413，S4414和S5 412都被保持在关断位置。此时，有负电流流过初级线圈415。当四个MOSFET开关全都关断并且没有异常的短路出现时，MOSFET开关S2 411和S5412的体二极管进行整流，使初级线圈415的电流流过S2 411和S5 412结构，类似于开关S2 411和S5 412的接通状态，如图所示的状态2 606。由于S2 411和S5412的体二极管进行整流，施加在初级线圈415上的电压等于VbOTSt，Vboost又驱动正常电流流过初级线圈415，如果S2 411和S5 412都已被导通，将能观察到上述情况。反向电流的流动将非常短暂，因此一旦_IFB_L0比较器向FPGA407(见图4)发出流过初级线圈415的电流如预期活动的信号，开关S2 411和S5 412将实际上被FPGA控制电路400接通，如图所示的状态3 608。图7示出该附加步骤的正常操作。应注意到，在S3，S4指令波形706被切断后，S2，S5指令波形704处于与S3，S4指令波形706相同的状态，直到_IFB_L0波形714的下降沿显示流过初级线圈412的电流如预期活动。此时，S2，S5指令波形704和S3，S4指令波形706恢复它们的正常工作。当短路情况实际发生在端子PRI+(见图4)和地之间时，额外的操作状态附加到第二切换间隔上将导致不同的电流特性。图8描述了当这种特定故障存在时AC点火系统的操作。状态0 802显示了短路情况801。在第一开关间隔后，状态I 804显示，在初级线圈415内有负电流。当S2 411，S5 412，S3413，S4 414的控制信号都被切断时，短路情况801将不允许S2 411体二极管自整流，这将导致来自S5 412体二极管的电流通过短路点流到地,如状态2 806所示。短路情况导致的另外的电流路径将导致流过初级线圈415的相对时间的电流变化(di/dt)小得多，这将通过控制信号_IFB_LO和_IFB_MID下降沿不出现或非常晚地出现而检测到。图9示出的定时图表显示了存在PRI+到地的短路情况时的电路操作。应注意到，当S3，S4指令波形906接通时，初级线圈415中的电流如何如预期的工作，如Ip 902所示。但是在状态2 806期间，当所有开关被保持在关断位置时，初级线圈415中的电流不像其正常工作时的表现那样。由于短路情况801，Ip明显减小了其相对时间的变化；因此V_IFB不 能、或至少非常慢地达到使比较器405或比较器406导致_IFB_MID或_IFB_L0降低的水平，如V_IFB波形908所示。因此，当_IFB_MID或_IFB_L0在FPGA407中被触发花了太长时间时，检测出PRI+到地的短路情况801。检测从PRI+到地矩路的故障情况的过程不需要在每个点火循环都进行。FPGA控制电路400可以在间歇的循环上实施该过程。除了检测电路故障，FPGA控制电路400还能检测作为AC点火系统的一部分的火花塞的火花间隙的劣化。时间一长，随着火花塞的反复使用，火花间歇将慢慢腐蚀。火花间歇由于腐蚀而变大，使火花塞电极之间的气体击穿或离子化所需的电压增大。这种增大的电压需求与初级线圈电流达到其峰值所需的时间的增加相关联，如比较器404的_IFB_PK输出所示(见图4)。FPGA控制电路400可以监测_IFB_PK被接通所需要的时间，并且将其与查询表或先前已知的数学函数相关联。图10示出了上述关系的一个例子。具体地说，图10示出多个波形，这些波形表示对应于施加在火花间隙上的不同的击穿电压(15kV 1002, 20kV 1004, 25kV 1006, 30kV1008, 35kV 1010, 38kV 1012)而流过初级线圈415 (见图4)的电流。而且，波形1014所示的情形中点火系统不能击穿火花塞间隙。图10示出了随着击穿电压增大，初级电流的峰值(_IFB_PK)在时间上延伸变得更晚。如果没有发生击穿，如波形1014所示，流过初级线圈415的电流相对时间的变化率比击穿发生时的情况明显地小(如波形1002，1004，1006，1008，1010 和 1012 所示)。图10中的值，虽然示出了系统的操作，但是绝不意味着对系统操作的限制。而且，虽然击穿发生时流过初级线圈415的电流示出为-100安培，但是整个范围的值都可以。另外，该技术不仅可被用于确定火花塞腐蚀，而且可用于检测AC点火系统419 (见图4)次级侧的发动不起来的情况。这种情况下，FPGA控制电路400，通过检测_IFB_PK，将能够检测初级线圈中的电流达到峰值花费过多时间的情况，或者能够检测不能达到峰值电流的情况。FPGA控制电路400将检测_IFB_PK被接通前的时间，当该时间大于查询表中相应的时间值时，FPGA控制电路将检测到发动不起来的情况。应注意到，上述控制系统的实施例的整个描述中，前缀出现在_ISD，_IFB_PK，_IFB_MID和_IFB_L0信号中，表示它们是有效的代信号。这并不意味着限制前述信号不必不得不为AC点火系统的有效的低信号以实现期望的功能。因此，存在_ISD，IFB_PK, IFB_MID和IFB_L0信号不是有效的低信号的第二实施例。上述控制系统在几种类型的点火系统中是可操作的。虽然所有之前的实施例描述的控制系统用于AC点火系统，但是也可以用于DC点火系统。例如，上述控制系统所应用于的PWM DC点火系统具有DC输出电流和MOSFET以及替代半桥开关网络的二极管网络(像本文中描述的AC系统那样)。另外，该控制系统也适用于多种发动机类型。例如，在一个具有16个火花塞的发动机上，多路复用16通道系统通道AC点火系统包括具有32个开关的16个专用支路，典型地是具有12个开关的六个共用支路。当开关实施为N-通道FET时，利用门驱动把开关控制器的逻辑转换为足以操作开关的驱动水平。在一个实施例中，22个半桥驱动器用于驱动16通道点火系统中的44个FET。各个共用支路被耦接到相应的升压转换器，全部44个开关可被一个PWM控制器所控制，其操作在之前已总体上描述过。在往复式发动机中，气缸通常以预定的顺序点火。因此相邻的点火之间可能有重叠。这种重叠的可能性随着气缸数量的增大而增大，随着火花持续时间的增长而增大，对于非对称点火顺序的发动机来说可能性更大。例如，具有对称点火顺序的16缸四冲程发动机的点火输出每隔45度进行，BP, 720度/16 = 45度。在1800RPM, I度=92. 59微秒，导致输 出为每4. 167毫秒点火一次。如果最大火花持续时间是例如2毫秒，各点火之间将没有重叠。但是，具有15-75个非对称点火顺序的16缸发动机可能存在这样的点火重叠。在1800RPM，这些点火顺序之间有I. 39毫秒即15度重叠。这种情况下，如果火花持续时间是2毫秒，一些重叠是可能的。图3示出的示例性16通道点火系统300具有四个图I所示类型的3通道点火系统模块302，其中的模块包括虚线示出的元件。点火系统300还包括两个图I所示类型的2通道点火系统模块304，其中该模块不包括虚线示出的元件。四个3通道点火系统模块302和两个2通道点火系统模块连接到发动机306的16个火花塞。传统的非多路复用AC点火系统可能需要64个开关(每个火花塞四个)以操作16缸发动机306。但是，点火系统300的多路复用特征容许同一个16缸发动机306利用44个开关工作。点火系统模块302，304的专用支路使用32个开关，而那些模块中的共用支路使用12个开关。共用开关控制器150 (示于图I)可被用于操作全部44个开关。这种设计中开关控制器150精确地调节各个变压器的初级绕组中的电流水平，这种设计允许独立于SD地控制CA，同时保持同样的0CV。此外，本发明的实施例意图在实施前述点火系统特征的同时不采用昂贵的设计方案，即不采用中心抽头变压器、高压、高电流半导体、谐振电路、或高能存储点火线圈。包括在此弓丨用的出版物、专利申请和专利在内的所有参考文献都以参弓I的方式合并入本申请，达到如同每个参考文献都是单独和特别指示成以参引的方式合并入本申请并且其全文在此阐述的相同程度。在描述本发明的内容(尤其是下列权利要求的内容)中使用的术语“一”、“一个”和“该”及类似用语将解释为包括单数和复数，除非此处另外指出或与上下文明显矛盾。术语“包含”、“具有”、“包括”、“含有”将解释为开放式术语(即，意味着“包括但不限于”)，除非另有说明。此处列举的数值范围仅作为分别指示落入所述范围的每个单独数值的简写方法，除非此处另外指出，并且每个单独数值结合在说明书中就像它在此分别阐述一样。此处所描述的所有方法可以按照任何适当的顺序执行，除非此处另有指出或与上下文明显矛盾。此处提供的任何实例或示例性语言(举例来说，“例如”)仅用于更好地描述本发明，而不用于限制本发明的范围，除非另有要求。说明书中的语言不应当被认为指出了对于实施本发明所必需的、任何未要求保护的元素。此处描述了本发明的优选实施例，包括发明人所知用于执行本发明的最佳方式。当阅读上述说明时，这些优选实施例的变 化对于本领域的技术人员来说是显而易见的。本发明人希望技术人员适当地应用这种变化，并且本发明人预料到本发明能够以除了此处特别描述以外的方式实施。因此，本发明包括权利要求书所述主题的全部变型和等效物，所述权利要求书在适用法律允许的情况下附加到本申请中。而且，本发明包括上述元件在其所有可能变形中的任何组合，除非在此另有指出或与上下文明显矛盾。
权利要求
1.一种交流AC点火装置，包括 开关网络，被构造为半桥型结构； 点火变压器，具有作为开关网络的负载而附连的初级线圈； 控制器，被构造为控制开关网络； 比较器网络，被构造为将AC点火系统参数与参考参数进行比较；其中比较结果指示控制器如何操作开关网络。
2.如权利要求I所述的AC点火装置，其中在比较器网络中进行比较的系统参数和参考 参数是电压。
3.如权利要求I所述的AC点火装置，其中由控制器产生所述参考参数。
4.如权利要求I所述的AC点火装置，其中控制器被构造为设定指令值，该指令值指示流过点火变压器的初级线圈的峰值电流。
5.如权利要求4所述的AC点火装置，其中控制器被构造为即时改变指令值。
6.如权利要求I所述的AC点火装置，其中还包括电源和电流传感器，电流传感器被构造在电源和开关网络之间，电流传感器被构造为提供与被从电源汲取到开关网络的电流有关的系统参数。
7.如权利要求6所述的AC点火装置，其中比较器网络的输出是向控制器的输入。
8.如权利要求7所述的AC点火装置，其中控制器监测比较器网络确定流过点火变压器的初级线圈的电流已经达到低点值和中点值的时间，该低点值和中点值由参考参数指示。
9.如权利要求7所述的AC点火装置，其中控制器监测与参考参数相比从电源汲取过量电流的情况。
10.如权利要求I所述的AC点火装置，其中点火变压器的次级线圈与火花塞连接，其中控制器监测从AC点火装置被启动的时刻到流过点火变压器的初级线圈的电流达到指令电流水平时所花的时间量，然后该时间量用于与火花塞何时放电相关联。
11.如权利要求I所述的AC点火装置，其中被构造为半桥型结构的开关网络包括对于电压为单向且对于电流为双向的开关。
12.一种用于控制点火系统的方法，包括如下步骤 测量初始点火循环的系统参数； 将系统参数与点火系统的参考参数进行比较； 如果系统参数与参考参数的比较结果显示在开关网络的负载中已经达到峰值电流，则改变开关网络的操作状态； 其中改变开关网络的操作状态的步骤触发开关网络的负载中一个随后的电流循环。
13.如权利要求12所述的方法，还包括改变设定开关网络的负载中的峰值电流的指令值的参考参数的步骤。
14.如权利要求12所述的方法，其中参考参数是与开关网络的负载中的低电流值相应的理想电压，开关网络的负载中的理想低电流和理想峰值电流之间的中间电流，开关网络的负载中的理想峰值电流，以及供给开关网络的理想最大电流值；其中系统参数是与开关网络的负载中的电流相应的测量的电压，以及与提供给开关网络的电流相应的测量的电压。
15.如权利要求14所述的方法，其中比较步骤将与点火系统中的理想峰值电流相应的电压同与开关网络的负载中的电流相应的测量的电压进行比较。
16.如权利要求14所述的方法，还包括诊断点火系统中的故障的步骤。
17.如权利要求16所述的方法，其中诊断故障的步骤包括，指示在比较步骤中与提供给开关网络的电流相应的测量的电压大于提供给开关网络的电流的理想最大值的步骤。
18.如权利要求16所述的方法，其中比较步骤还包括测量一个时间段，该时间段是用于与开关网络的负载中的电流相应的测量的电压的点火循环开始从开关网络的负载的至少一个理想低电压升高到理想中间电压，从开关网络的负载的理想低电压升高到理想峰值电压，或者从开关网络的负载的理想中间电压升高到理想峰值电压所花费的时间，其中诊断步骤包括指示从测量步骤得到的测量时间发生得比预期快、比预期长，和/或从未发生的步骤。
19.如权利要求14所述的方法，其中开关网络的负载是点火变压器的初级线圈，其中 次级线圈附接到火花塞；其中比较步骤还包括测量从开始与开关网络的负载中的电流相应的电压的点火循环到达到开关网络的负载中的理想峰值电流所花费的时间的步骤，并存储所测量的时间。
20.如权利要求19所述的方法，还包括确定火花塞的火花间隙的腐蚀水平的步骤。
21.如权利要求20所述的方法，其中确定腐蚀水平的步骤通过将从初始点火事件到火花塞的火花间隙的击穿的测量时间与用于在代表性的火花塞的代表性的火花间隙的各种腐蚀水平击穿该代表性的火花间隙所花的时间量的参考值相关联而实现。
22.如权利要求21所述的方法，其中所述参考值被包含在查询表中。
23.如权利要求19所述的方法，该测量的时间与预定的时间段比较，如果该测量的时间超过预定的时间段，则出现发动不起来的情况。
24.如权利要求12所述的方法，其中开关网络是半桥型开关网络。
25.如权利要求12所述的方法，其中点火系统是交流AC点火系统。
26.如权利要求25所述的方法，其中AC点火系统的开关网络是半桥型开关网络。
27.如权利要求12所述的方法，其中点火系统是直流DC点火系统。
28.如权利要求27所述的方法，其中该DC点火系统的输出电流是DC值，开关网络是MOSFET和二极管网络。
全文摘要
一种用于AC点火系统的多路复用驱动电路，具有一个共用支路，该共用支路包括两个串联连接的开关，以及一个或多个专用支路，其中每个支路包括两个串联连接的开关。该多路复用驱动电路还包括用于一个或多个专用支路的每一个的变压器，每个变压器具有连接在一个或多个专用支路中的一个以及共用支路之间的初级绕组，每个变压器具有与火花塞并联连接的次级绕组，脉宽调制(PWM)开关控制器被构造为操作共用支路和专用支路开关以控制用于火花塞的火花放电的特性。其中开关控制器能通过监测火花放电事件发生的时间来实时进行诊断性的检查。
文档编号F02P3/045GK102852692SQ20121033412
公开日2013年1月2日 申请日期2012年6月29日 优先权日2011年7月1日
发明者D·C·帕楚斯卡, D·K·斯图沃特, M·L·瓦格纳, G·M·埃博哈特 申请人:伍德沃德公司